Книга: Вам, земляне

Немного геохронологии

Немного геохронологии

О возрасте человека можно судить по его лицу, фигуре, осанке, о возрасте дерева — по его толщине и высоте. Но как узнать возраст камня? Или еще более трудный вопрос: сколько лег нашей планете? Когда начала она существовать как космическое тело?

В библии сказано, что Земля существует всего несколько тысячелетий. Древние персы были щедрее: по их мнению, Земля возникла 12 000 лет назад. Еще уважительнее относились к Земле древневавилонские жрецы — они считали, что ей 2 млн. лет. Но все эти цифры имели столь же малое отношение к реальному возрасту нашей планеты, как и представления древних религий о мире к современному научному мировоззрению.

Зарождение научной геохронологии датируют обычно самым концом XVIII века, когда английский геолог Смит в 1799 г. обнаружил, что в слоях одинакового возраста всегда содержатся ископаемые одних и тех же видов. Более того, он показал, что остатки древних животных и растений размещены (с увеличением глубины) в одном и том же порядке, хотя поиски их производились в разных местах, расстояния между которыми были очень большие.

Так родилась историческая геология, а вместе с ней и первые гипотезы об эволюции органического мира Земли. Стала очевидной изменчивость Земли во времени, а значит, возникла задача: определить возраст Земли и наметить хотя бы в самых общих чертах поступательный ход эволюции всей нашей планеты. Задача оказалась нелегкой. Лишь век спустя знаменитый соотечественник Смита лорд Кельвин выступил со статьей, в которой утверждал, что возраст Земли близок к 25 млн. лег.

Кельвин предполагал, что первоначально вся Земля была в огненно-жидком, расплавленном состоянии. Считая, что тепло, идущее к поверхности Земли из ее недр, есть остаточный первичный жар Земли, он подсчитал, за какое время могла образоваться и остыть до современной температуры твердая земная кора. Так и получились те 25 млн. лет, которые какое-то, правда непродолжительное, время считались «официальным» возрастом нашей планеты.

Когда Кельвин производил эти расчеты, уже была открыта радиоактивность, а в 1906 г. другой известный английский физик лорд Релей доказал, что радиоактивные элементы широко представлены в горных породах и не учитывать тепло, выделяющееся при их распаде, нельзя. Отсюда следовало, что подсчеты Кельвина неверны, и возраст Земли, установленный им, занижен. Так наука пришла к использованию естественных «радиоактивных часов», во множестве рассеянных в некоторых породах земной коры.

Следует напомнить, что тяжелые химические элементы таблицы Менделеева способны самопроизвольно распадаться, выделяя при этом альфа-лучи, бета-лучи и гамма-лучи. Первые представляют собой ядра атомов гелия, каждое из которых состоит из двух протонов и двух нейтронов. Бета-лучи — это потоки электронов. Что же касается гамма-лучей, то это действительно настоящие лучи — электромагнитное излучение с очень малой длиной волны и очень энергичное. За счет гамма-лучей радиоактивные элементы при распаде нагревают окружающие их породы. Это и есть первоисточник радиоактивного нагрева, играющего громадную роль в эволюции Земли.

При радиоактивном распаде уменьшается первоначальная масса элемента и изменяется заряд его ядра. Следовательно, радиоактивный элемент становится неузнаваемым, в полном смысле слова другим. Так, уран с относительной атомной массой 238 (уран-238) при распаде превращается в свинец с относительной атомной массой 206.

Радиоактивный распад происходит, как говорят, по экспоненте— так именуют график показательной функции. Аналитически закон радиоактивного распада может быть представлен формулой m=m₀e^-kt, где m₀ — первоначальная масса распадающегося элемента; m — его масса в данный момент времени t; k — коэффициент, зависящий от свойств данного элемента; е — неперово число, приближенно равное 2,718.

Период полного распада любого радиоактивного элемента равен… вечности! Иначе говоря, распад никогда не завершается, темп его, сначала очень быстрый, постепенно замедляется и в конце концов становится неощутимо малым. Вот почему имеет смысл говорить не о периоде распада, а о периоде полураспада Т какого-нибудь радиоактивного элемента, т. е. о промежутке времени, за который распадется половина первоначального количества данного радиоактивного вещества. Нетрудно сообразить, что Т=ln 2/k, где ln 2 = 0,693.

У разных элементов Т весьма различно — от ничтожных долей секунды до миллиардов лет. У урана-238 он равен 4,5 млрд. лет. Предположим, что первоначально все радиоактивные элементы (включая уран-238) на Земле еще только начинали распадаться. Если сегодня в породах, содержащих уран-238, имеется некоторое количество конечного продукта его распада (свинца-206), то можно подсчитать (пользуясь законом радиоактивного распада), за какое время из чистого урана-238 могло образоваться это количество «уранового» свинца. Это и будет нижним пределом возраста Земли, т. е. минимальным временем, протекшим с момента ее возникновения как самостоятельного космического тела.

Такова идея «радиоактивных часов». На практике все, конечно, сложнее. Применяются и более тонкие, точные методы, используются разные радиоактивные вещества и самая разнообразная аппаратура.

Самые древние породы земной коры, судя по показаниям «радиоактивных часов», имеют возраст 3,5 млрд. лет. Земля, конечно, старше своей коры. Однако возраст метеоритов, определенный аналогичными методами, не превышает 4,5 млрд. лет. В настоящее время этот колоссальный промежуток времени — 4,5 млрд, лет, который трудно себе представить, и принято считать возрастом Земли.

Как же складывалась жизнь Земли на протяжении всех этих миллиардолетий? Как формировался ее современный облик? В чем выразилась эволюция органического мира Земли, породившего в конце концов и нас, задающих эти нелегкие вопросы?

В земной коре хранятся следы прошлого нашей планеты. Проникновение в глубь Земли одновременно означает и путешествие в прошлое, тем более отдаленное, чем глубже мы проникаем. Земная кора расчленена по возрасту на слои, толщи, горизонты, ярусы, отделы, системы. Этим занимается одна из отраслей геологии — стратиграфия. Каждый слой, каждый горизонт земной коры имеет «радиоактивные часы», фиксирующие его возраст. Составлены геохронологические шкалы, или точнее разнообразные шкалы, изменявшиеся с развитием этой отрасли науки. Длительная история Земли подразделена на эпохи и периоды. Одну из новейших геохронологических таблиц мы здесь приводим.

История Земли складывается из двух частей — истории неорганического тела нашей планеты и истории ее органического мира, прослеживаемой до протерозоя. Разумеется, эти «две истории» тесно связаны, и в дальнейшем речь пойдет о единой истории нашей планеты, ставшей обиталищем множества живых существ — от микроорганизмов до человека. Остатки организмов прошлого позволяют определить относительный возраст слоев земной коры и тем самым датировать геологические события (см. таблицу).